小天體柔性附著技術(shù)

崔平遠，張成宇，朱圣英，葛丹桐，龍嘉騰，邵 巍，梁子璇

(1. 北京理工大學深空探測技術(shù)研究所，北京 100081；2. 深空自主導航與控制工信部重點實驗室(北京理工大學)，北京 100081；3. 青島科技大學自動化與電子工程學院，青島 266100)

0 引 言

小天體(包括小行星和彗星)探測對人類了解太陽系的形成演化與生命起源、防御近地天體撞擊以及驗證最新的航天技術(shù)具有重要價值。小天體探測具有多種方式,如遠距離飛越探測、軌道繞飛探測與原位采樣探測等,其中,原位采樣探測可以獲取更多的星表物質(zhì)信息,是近年來各國小天體探測任務的焦點。

由于小天體質(zhì)量小、引力弱,著陸器的著陸過程較為緩慢,且在小天體表面的弱引力環(huán)境中,著陸器通常是附著在小天體表面,因此小天體弱引力環(huán)境下的著陸過程一般稱為“附著”[1]。相比于月球、火星等大天體著陸,小天體附著面臨一系列新的技術(shù)問題,包括:1)小天體引力場不規(guī)則,使得附著過程的動力學模型復雜;2)小天體表面形貌復雜,附著過程需要具備隕石坑、巖石等障礙的規(guī)避能力;3)小天體表面先驗信息缺乏,使得附著環(huán)境不確知;4)小天體表面引力弱,使得著陸器與小天體表面接觸時易反彈。因此,小天體附著任務對導航、制導、控制等技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

已經(jīng)實施的小天體探測任務包括:美國的“近地小行星交會”(NEAR)與OSIRIS-REx任務,日本的“隼鳥”號和“隼鳥”2號任務,以及歐洲航天局的“羅塞塔”(Rosetta)任務。目前,我國也在推進“天問二號”的研制工作,計劃在2025年前后發(fā)射小天體探測器,對小行星2016HO3和彗星311P分別實施附著采樣和繞飛探測。已經(jīng)實施的任務中,小天體附著方式主要有兩種,一種是“剛性+緩沖”方式,另一種是“接觸即走”(Touch and go,TAG)方式,兩種方式均存在一定的不足,并沒有很好地解決弱引力環(huán)境中的穩(wěn)定附著問題。

本文將對已實施小天體任務采用的附著方式進行分析,并結(jié)合團隊的最新研究工作介紹“柔性附著”概念,為未來的小天體附著任務提供一種新的思路。同時,也將圍繞柔性附著方式,從感知、導航、制導、控制等方面總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)的難點及進展,并探討未來的研究方向。

1 小天體附著主要技術(shù)問題

小天體表面附著采樣要求著陸器安全、準確地到達期望的著陸點。然而,小天體具有引力不規(guī)則、環(huán)境不確知等特點,給附著的導航制導控制等帶來了如下技術(shù)難題。

1.1 引力場不規(guī)則

不同于火星、月球等半徑較大的圓球形天體,小天體通常非圓球或橢球狀,且內(nèi)部質(zhì)量分布不均。因此,小天體附近的引力場呈現(xiàn)出不規(guī)則特性,動力學環(huán)境極為復雜[4]。小行星地理星(1620 Geograp-hos)的引力場分布如圖1所示,其尺寸約為5.0 km×2.0 km×2.1 km[5];表面引力加速度在4.3×10-4～7.0×10-4m/s2之間,最大與最小引力加速度相差超過60%。不規(guī)則的引力場使得建模困難,附著任務之前通過觀測等手段獲取的數(shù)據(jù)難以建立精確的引力場模型。此外,小天體表面的引力方向與法線方向存在較大偏差,對著陸時的角度提出了約束。若軌跡的著陸角度不合理,接觸小天體表面后極易發(fā)生傾覆或翻滾。因此,不規(guī)則的引力場給附著過程的制導控制帶來了難題。

圖1 小行星地理星的引力場分布

1.2 星表形貌起伏大

小天體除整體形狀非規(guī)則外,局部形貌還呈現(xiàn)出起伏大的特點。首先,小天體尺寸相對較小,其曲率明顯大于月球、火星等大天體。因此,著陸器附著的對象是一個不規(guī)則曲面而非平面,表面可達區(qū)(著陸器在給定初始條件及約束下所有能夠到達的終端位置的集合)求解與附著軌跡設(shè)計都更加復雜[6]。其次,小天體表面的隕石坑、巖石等復雜形貌使得能夠著陸的平坦區(qū)域較少,可著陸區(qū)域有限。因此,選取小天體表面著陸點時需重點關(guān)注附著的安全性與速度增量[7]。此外,對于選定的著陸點,小天體附著過程對制導控制系統(tǒng)的精度需求也更高。為保證著陸器與小天體表面的安全平穩(wěn)接觸,要求附著位置偏差非常小,一般為米級。

1.3 附著環(huán)境不確知

小天體附著任務不但面臨引力場不規(guī)則、形貌起伏大等問題,還需應對附著環(huán)境不確知的挑戰(zhàn)。由于小天體距離遠、尺寸小,前期探測數(shù)據(jù)缺乏,先驗信息不足。例如,中國將要實施探測的小行星2016HO3,其直徑不足50 m,目前只能基于光學觀測獲取其軌道與形狀等基本參數(shù),并由此做出一些預測或設(shè)想[8]。實際附著過程中,存在小天體自旋參數(shù)偏差、引力場模型偏差、光壓擾動、形貌建模偏差(如體積較小的碎石塊無法準確建模)和小天體內(nèi)部活動產(chǎn)生的微小拋射物質(zhì)等不確知因素。在附著前,雖然可以對小天體實施繞飛探測以獲取一定的數(shù)據(jù),但有些信息仍然無法準確預測,而這些信息將影響附著任務的順利實施。

1.4 星表接觸易反彈

小天體引力場不僅不規(guī)則,還極其微弱,如美國OSIRIS-REx探測的貝努小行星,其表面引力加速度不到地球的十萬分之一,逃逸速度不到0.3 m/s[9]。因此,著陸器與小天體表面接觸時,如果存在殘余速度,則極易發(fā)生反彈逃逸。于是,小天體附著任務一般要求“雙零”約束[1],即不只要求位置偏差為零,還要求相對速度為零,對導航、制導與控制技術(shù)均提出了較高的要求。事實上,由于事先對小天體動力學環(huán)境的信息掌握有限,難以建立精確的動力學與控制模型,同時執(zhí)行機構(gòu)也存在一定的控制誤差,故實際的制導控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)嚴格的“雙零”約束,尤其是零速度約束。

2 小天體附著方式

小天體的附著方式最初是參考月球、火星等著陸器設(shè)計的,即通過對剛體施加推力來實現(xiàn)著陸器的減速。考慮小天體表面引力弱、易反彈的特點,TAG與柔性附著方式也陸續(xù)被研究,且前者已經(jīng)得到應用。

2.1 剛性附著方式

剛性著陸器/探測器在小天體表面附著時,即使存在很小的殘余速度也可能導致反彈或傾覆損毀。2001年,美國NEAR任務實現(xiàn)了首次小天體表面附著,采用的正是剛性附著方式。根據(jù)任務設(shè)計,NEAR探測器需要通過四次制動機動逐步完成減速與降軌,但由于機動動作的執(zhí)行偏差和導航的不確定性,第四次制動機動在完成速度變化的三分之二之后就停止了。最終,NEAR探測器以1.5～1.8 m/s的垂直速度和0.1～0.3 m/s的水平速度著陸在愛神星(Eros 433)表面[10]。多普勒信號表明,NEAR探測器在穩(wěn)定附著前曾經(jīng)從表面反彈[11],但幸運的是,遙測數(shù)據(jù)顯示反彈并沒有對探測器的健康狀況造成影響。

為降低著陸時刻殘余動能引發(fā)的反彈與傾覆問題,實際任務中通常在剛性探測器上安裝附著輔助機構(gòu),例如阻尼器和著陸支架等,對殘余動能進行耗散。2014年11月,ESA發(fā)射的“羅塞塔”探測器在彗星67P附近成功釋放“菲萊”(Philae)著陸器,首次實現(xiàn)了彗星表面附著。為了防止從彗星表面反彈或傾覆,“菲萊”著陸器不但以碳纖維/蜂窩鋁結(jié)構(gòu)為主體[12],還額外配備了以下三個輔助裝置:

1)主動下降系統(tǒng)(ADS)[13],主要由安裝在“菲萊”著陸器頂部的一個冷氣系統(tǒng)和一個推進器組成。ADS具有兩個功能,一是在下降過程中使用,以減少著陸時間;二是在著陸器觸地時提供幾秒鐘的向下推力,以避免發(fā)生反彈。

2)著陸支架,如圖2所示,其由碳纖維管制成的可折疊三腳架、一個連接在著陸器本體上的中央機電阻尼系統(tǒng)和著陸腳上的冰螺釘組成。在著陸時,機電阻尼系統(tǒng)通過將阻尼行程轉(zhuǎn)換為驅(qū)動發(fā)電機的旋轉(zhuǎn),從而使殘余動能轉(zhuǎn)化為電能,該過程可安全地吸收約60 J的動能(相當于垂直觸地速度1.1 m/s)。

圖2 “菲萊”著陸器的著陸支架[13]

3)著陸錨定系統(tǒng)[14],錨定“魚叉”通過繩索鏈接在著陸支架上。著陸時,“魚叉”自動發(fā)射并固定在彗星土壤中,通過滑輪機構(gòu)將“菲萊”著陸器拉回并使其能夠長期停留在彗星表面。

傳感器測量數(shù)據(jù)表明,在“菲萊”著陸器實際著陸中,ADS系統(tǒng)未能打開。同時,觸地信號觸發(fā)時,“魚叉”沒有發(fā)射,“菲萊”著陸器在著陸時沒有被固定[15]。著陸器內(nèi)部中央機電阻尼器在著陸高度為42.6 mm時被驅(qū)動,此時著陸器的速度約為1 m/s。經(jīng)過著陸器內(nèi)部中央機電阻尼器以及三腳架穿透地面,約90%的動能被消耗,之后,著陸器的速度降為0.325 m/s[16]。此時,著陸器雖然已經(jīng)消耗了大部分殘余動能,但仍發(fā)生反彈、傾覆,并在經(jīng)歷2 h左右的翻滾后,最終降落在一個洞穴的周圍[17]。該洞穴阻擋或部分遮擋了來自于太陽的光照和來自于軌道器的通訊信號,使得預先確定的長期科學任務無法實施[18]。

NEAR探測器與“菲萊”著陸器的任務表明,剛性附著方式(包含帶輔助裝置的剛性附著方式),難以克服弱引力下的反彈問題,故不適用于小天體著陸。

2.2 TAG附著方式

為了減少剛性著陸器在微重力小天體引力環(huán)境下附著面臨的反彈與傾覆風險,NASA的近地小行星采樣返回(NEARS)任務提出了TAG著陸方案[19]。如圖3所示,TAG著陸模式主要包括下降接觸和上升離開兩項操作。在TAG著陸過程中,著陸器首先通過著陸機動以一個較小的速度著陸,并與小天體表面短暫接觸,接觸時間約為1 s。之后,著陸器獲得反向逃逸速度,通過逃逸軌道快速離開小天體表面。在TAG著陸模式中,采樣在與小天體表面的短暫接觸過程中實施,由安裝在著陸器下方的采樣機械臂完成。這種采樣方式只需要機械臂與小天體表面接觸,從而降低著陸器與小天體表面相撞的危險,保護太陽帆板以及除采樣機械臂以外的科學探測載荷。

圖3 TAG著陸方式示意圖

NEARS任務雖未實施,但所提出的TAG著陸方案被后續(xù)日本的“隼鳥”號與“隼鳥”2號任務以及美國OSIRIS-REx任務采用。“隼鳥”號探測器于2005年11月對小行星糸川進行了采樣探測,并首次嘗試了TAG的方式。2019年2月,“隼鳥”2號探測器采用TAG方式對小行星龍宮進行附著采樣[23]。“隼鳥”2號整個附著過程的軌跡可分為五段[24]：下降段、信標跟蹤段、著陸段、逃逸段和回升段。探測器在距離小行星表面8.5 m的高度進入著陸段,通過施加小的下降脈沖機動實施著陸動作,并在約為100 s后與小行星表面接觸。著陸時刻,探測器的水平和垂直著陸速度分別為2.63 cm/s和7.94 cm/s。在與龍宮表面接觸2.8 s后[25],探測器立即施加一個63.95 cm/s的逃逸機動,使其克服龍宮的引力快速上升。

2022年10月,OSIRIS-REx探測器同樣采用TAG模式對小行星貝努進行采樣[26]。探測器在貝努的凍結(jié)軌道上啟動TAG機動序列,TAG機動主要由離軌機動、檢查點機動和匹配點機動組成[27]。在離軌機動4 h后,探測器執(zhí)行檢查點機動以消除大部分的表面相對橫向速度,并開始向小行星表面下降;探測器到達45 m高度的匹配點后,執(zhí)行匹配點機動以匹配貝努旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的表面速度,并且將下降速度降為10 cm/s;之后,探測器向小行星表面自由落體直至探測器與小行星表面發(fā)生接觸。OSIRIS-REx探測器與小行星貝努接觸時間約為6 s,隨后探測器啟動返航機動以獲得上升速度。最終,探測器以30 cm/s的速度沿雙曲軌道離開貝努。

截至目前,各航天機構(gòu)已經(jīng)執(zhí)行過3次TAG模式的采樣返回任務。“隼鳥”號與小行星糸川的接觸時間約為1 s,采集了約1500個微小顆粒,總質(zhì)量低于1 mg;“隼鳥”2號與小行星表面接觸時間約幾秒鐘,其采樣質(zhì)量為5.4 g;OSIRIS-REx探測器與小行星接觸時間為16.6 s,預計采集了250±101 g的樣本[28],將于2023年運送到地球。可以看出,3次任務的采樣量均較小,這主要是由于在TAG著陸模式下,探測器與小天體表面接觸時間較短,沒有充裕時間獲得足夠樣本。由于無法穩(wěn)定停留在小天體表面,TAG方式所實現(xiàn)的并非嚴格意義上的附著。

2.3 柔性附著方式

TAG附著方式雖然可以完成小天體表面采樣,但著陸器與小天體只能短暫接觸,無法穩(wěn)定附著在小天體表面,并未實現(xiàn)真正意義上的附著。換句話說,TAG附著方式只是提供了一種短暫采樣方式,并未解決弱引力環(huán)境下的附著難題。針對小天體表面附著難題,崔平遠等[29]提出了柔性附著的概念,以基于智能材料的柔性著陸器取代傳統(tǒng)剛性著陸器,為小天體特殊環(huán)境下的附著任務提供了新的思路。

圖4為柔性附著過程示意圖,著陸器采用柔性可變形材料,附著過程開始之前呈收攏狀態(tài),附著末段展開并呈圓餅狀外形,附著后可自主裝配恢復著陸器功能。相比于剛性著陸器,柔性著陸器一方面增大了與小天體表面的接觸面積,當著陸器存在姿態(tài)偏差時,發(fā)生傾覆翻滾的風險降低;另一方面,利用特有的柔性材料,在附著存在末端速度偏差時,可通過柔性材料消耗著陸器殘余動能,從而避免發(fā)生反彈逃逸。

圖4 柔性附著示意圖[29]

圖5給出了柔性著陸器展開前后的示意圖及透視圖。為便于附著過程中的觀測與操控,柔性著陸器采取“質(zhì)量聚集區(qū)+柔性材料”的組成方式。每個質(zhì)量聚集區(qū)內(nèi)集中安裝一套敏感器和執(zhí)行機構(gòu),用于完成導航觀測和姿軌控制。為便于問題描述,可將具備特定功能、具有剛性特征的質(zhì)量聚集區(qū)稱之為節(jié)點。從柔性著陸器的可操控性角度考慮,節(jié)點至少需要配置3個。

圖5 柔性著陸器示意圖

對于剛性著陸器,一般用質(zhì)心的位置和速度描述其線運動,用歐拉角描述其姿態(tài)/角運動。然而,對于三節(jié)點的柔性著陸器,屬于高維非線性系統(tǒng),其狀態(tài)描述不同于傳統(tǒng)的剛性著陸器。為近似描述柔性著陸器狀態(tài),可定義3個質(zhì)量聚集區(qū)所在平面為柔性著陸器的“等效面”[29],如圖6所示。于是,用“等效面”的中心位置和速度近似表示柔性著陸器的位置和速度;用“等效面”與著陸平面的夾角,即“等效面”傾角θ,近似表征柔性著陸器的姿態(tài)。這里,著陸平面是指小天體附著點固連系的XOLY平面;“等效面”的中心位置和速度分別通過3個質(zhì)量聚集區(qū)構(gòu)成三角形的形心位置和速度確定;“等效面”傾角θ反映了柔性著陸器相對著陸平面的水平程度,由柔性著陸器“等效面”法向量ns與著陸平面法向量nL間的夾角確定。

圖6 柔性著陸器“等效面”示意圖[29]

3 小天體柔性附著關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)剛性附著方式相比,柔性附著可以容忍更高的末端殘余速度和更大姿態(tài)控制誤差,可有效提升附著任務的成功率,故更適用于小天體附著采樣任務。不過,柔性附著作為一種新型附著方式,也存在若干理論與技術(shù)問題待解決。例如,多敏感器/執(zhí)行機構(gòu)的協(xié)同問題、柔性著陸器自身的不可控形變帶來的擾動問題,這些都給GNC系統(tǒng)設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。

3.1 柔性附著智能感知技術(shù)

小天體環(huán)境暗弱且存在自旋,僅通過前期天文觀測獲取的先驗信息十分有限。柔性附著過程中對小天體環(huán)境的感知與匹配技術(shù)是后續(xù)自主導航、制導控制、著陸點選擇、障礙規(guī)避等實施的前提和基礎(chǔ),直接關(guān)系到自主附著任務的成敗。柔性附著的環(huán)境智能感知技術(shù),一方面要提升著陸器對暗弱動態(tài)環(huán)境的感知能力;另一方面,要有效利用多個敏感器獲取的信息,提升協(xié)同感知能力。

3.1.1動態(tài)暗弱環(huán)境智能感知技術(shù)

與傳統(tǒng)算法相比,深度學習方法具有較強的挖掘數(shù)據(jù)潛在特征的能力,在提取隕石坑、巖石等導航陸標特征時有著明顯優(yōu)勢。不同于月球、火星等大天體的識別感知[30-31],小天體的快速自旋特性會導致相機與目標在短時間內(nèi)具有較大的相對視角變化,同時會產(chǎn)生天體表面陰影區(qū)域明暗變化,使得同一目標區(qū)域前后成像不一致,造成特征動態(tài)感知困難。之前的探測任務,如“羅塞塔”[32]、OSIRIS-REx[33]、“黎明”[34]等,大都采用Stereophotoclinome-try(SPC)技術(shù)[35],利用Lunar-Lambert光照模型,模擬生成了下降采樣過程陰影圖像,通過歸一化互相關(guān)算法完成模板匹配。該算法非常依賴于對三維形貌及光照建模的精確性,同時該算法較為復雜、存儲量大,陰影區(qū)域重建效果較差,需要大量人工干預,應用具有局限性。

針對小天體隕石坑難檢測的問題,邵巍等[36]提出了一種隕石坑深度學習智能檢測算法。通過局部方差均衡算法增強暗弱環(huán)境下隕石坑特征,利用多視角重投影模擬小天體自旋及相機視角變化進行數(shù)據(jù)增強。對于小隕石坑漏檢問題,將預測圖像切分成若干個有重疊區(qū)域的子圖像并合并預測結(jié)果,該算法與現(xiàn)有主流檢測網(wǎng)絡相比具有更好的效果。

然而,研究動態(tài)變化下的小天體環(huán)境智能感知匹配仍然是具有挑戰(zhàn)性的任務。首先,要對小天體圖像進行非線性亮度增強,提高暗弱環(huán)境下的感知能力;其次,應提高網(wǎng)絡模型對大視角及陰影變化下的適應能力,完成動態(tài)過程對特征的穩(wěn)定匹配;此外,還應盡量結(jié)合已知信息,如太陽入射角、小天體三維模型、著陸器位姿信息等,將先驗信息融入網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),實現(xiàn)小天體動態(tài)暗弱環(huán)境特征智能提取與穩(wěn)定匹配。

3.1.2柔性附著智能協(xié)同感知技術(shù)

利用柔性著陸器攜帶的多個敏感器進行協(xié)同感知,不僅可以有效擴大觀測區(qū)域,從多視角觀測提高對環(huán)境的感知能力,還可以提高柔性著陸器導航精度與魯棒性。然而,對于柔性著陸器,各觀測節(jié)點處于動態(tài)關(guān)聯(lián),其位姿狀態(tài)估計也具有不確定性,觀測視角存在差異,甚至可能沒有共同區(qū)域。利用傳統(tǒng)特征匹配算法可能會導致誤匹配或無法匹配的情況,難以實現(xiàn)聯(lián)合感知。現(xiàn)有的協(xié)同感知技術(shù)大都基于剛性著陸器,觀測區(qū)域及感知目標的位置可通過不同傳感器之間的聯(lián)合標定進行確定;同時,區(qū)別于相互獨立對象的協(xié)同感知,柔性著陸器的各節(jié)點之間存在一定的動態(tài)約束。因此,研究柔性附著的智能協(xié)同感知既是一個難點問題,又具有重要的理論與實際應用價值。

針對柔性附著動態(tài)關(guān)聯(lián)協(xié)同感知難題,可利用多節(jié)點的時空關(guān)聯(lián),實現(xiàn)協(xié)同感知。一方面通過各節(jié)點的歷史觀測數(shù)據(jù),結(jié)合柔性約束的動態(tài)方程,預測下一時刻感知目標出現(xiàn)的位置及概率;另一方面,利用多節(jié)點的相對位姿及識別結(jié)果,通過估計重疊區(qū)域進行感知結(jié)果的增強,并構(gòu)建顯著特征多視角數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)匹配,為協(xié)同感知提供約束條件,從而最大化利用各節(jié)點傳感器的觀測信息及狀態(tài)估計信息,提高附著過程對未知復雜環(huán)境的協(xié)同感知能力。

3.2 柔性附著協(xié)同估計導航技術(shù)

小天體表面信息匱乏、導航信息有限,對精確導航帶來挑戰(zhàn);同時,受材料特性等影響,柔性著陸器在附著過程中易發(fā)生柔性形變,導致節(jié)點間相對位姿動態(tài)變化,影響附著導航信息融合估計精度。在復雜形貌中精確提取出導航特征進行位姿確定,并基于多節(jié)點測量進行柔性附著狀態(tài)協(xié)同估計,是提高柔性附著精度的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.1柔性附著狀態(tài)估計技術(shù)

柔性附著過程中,基于敏感器測量信息進行著陸器狀態(tài)估計,柔性體上各測量節(jié)點可利用慣性測量單元、激光測距儀和光學相機獲取導航信息,實現(xiàn)附著狀態(tài)估計。在小天體附著狀態(tài)估計方面,美國JPL實驗室提出了一種基于計算機視覺的自主導航方法,可通過跟蹤可見特征點和導航陸標進行小天體附著自主導航[37]。通過相機拍攝小天體的表面光學圖像及激光測距儀測量著陸器至星表特征點的距離,來估計著陸器的絕對位置和相對運動信息,同時獲得小天體表面的三維地形圖。日本JAXA的小天體探測任務利用光學測量信息進行了著陸器附著狀態(tài)估計[38-39],通過光學導航相機對天體表面拍照,利用激光測距儀測量著陸器到星表的距離,在導航濾波器中處理這些圖像和距離信息來獲得著陸器的位置和速度。

文獻[40]針對小天體表面附著陸標優(yōu)化選取問題,在導航陸標構(gòu)型可觀測度的基礎(chǔ)上,考慮到附著下降軌跡的特點,構(gòu)造了陸標選取指標,給出了最優(yōu)導航陸標遞推優(yōu)化選取方法,降低節(jié)點狀態(tài)估計解算復雜度。文獻[41]針對利用導航陸標進行附著位姿六自由度狀態(tài)估計問題,基于歐式變換下角度不變性,提出以導航陸標觀測視線之間所形成的夾角作為觀測量,對像素觀測方程中位置、姿態(tài)狀態(tài)進行解耦求解。文獻[42]考慮形貌特征圖像邊緣識別的特點,建立了陸標特征中心定位的誤差分布模型,針對中心定位誤差具有非獨立同分布的特點,通過對協(xié)方差矩陣奇異值分解構(gòu)造不同特征點的權(quán)重矩陣,提出了考慮觀測誤差不確定性加權(quán)的著陸器位姿估計方法,提高著陸器導航估計精度。文獻[43-44]針對附著環(huán)境未知時難以進行絕對導航定位問題,以特征隕石坑邊緣曲線作為導航陸標,提出了小天體附著曲線匹配光學導航方法,以相鄰圖像的曲線特征和著陸器位姿估計信息建立未知曲線特征觀測模型,同時將IMU測量誤差引入擴展狀態(tài)估計模型實時估計修正,提高著陸器附著節(jié)點狀態(tài)估計精度。

3.2.2柔性附著狀態(tài)協(xié)同估計技術(shù)

為進一步提高柔性附著導航估計精度,利用節(jié)點間測量信息和柔性體結(jié)構(gòu)約束,通過協(xié)同估計實現(xiàn)柔性著陸器的自主導航。如圖7所示,柔性著陸器可以借助安裝在多個節(jié)點處的敏感器(相機或測距儀等),從空間不同方位對附著形貌進行觀測,為狀態(tài)估計提供多視角、多尺度、多類型的測量信息,通過進一步設(shè)計多源信息融合方法、協(xié)同估計濾波器等進行柔性附著狀態(tài)的精確估計。

圖7 柔性附著協(xié)同觀測示意圖

柔性著陸器在附著過程中存在柔性形變、節(jié)點間運動狀態(tài)強耦合,導致節(jié)點狀態(tài)精確估計困難;同時受著陸器尺寸限制,節(jié)點間距離較短,導致利用節(jié)點位置計算柔性著陸器姿態(tài)時,“等效面”傾角對位置估計誤差敏感。崔平遠等[29]針對小天體柔性附著模式,提出了柔性附著狀態(tài)協(xié)同估計方法,利用柔性附著狀態(tài)約束和節(jié)點間關(guān)聯(lián)觀測信息,提高節(jié)點狀態(tài)估計精度,進而提高柔性著陸器的位置、速度和姿態(tài)估計。該方法在柔性體上多個節(jié)點狀態(tài)估計的基礎(chǔ)上,建立節(jié)點間協(xié)同修正機制,引入柔性附著狀態(tài)約束和關(guān)聯(lián)觀測信息,提高節(jié)點狀態(tài)估計精度,并利用節(jié)點狀態(tài)確定“等效面”中心位置、速度和傾角,進行柔性著陸器的狀態(tài)估計,從而為柔性附著自主導航提供了可行的技術(shù)途徑。文獻[45]考慮柔性體節(jié)點間運動的牽制作用,設(shè)計并行濾波算法對附著狀態(tài)與柔性補償量進行同步估計,利用柔性補償量修正節(jié)點狀態(tài),提高柔性附著狀態(tài)估計精度。

3.3 柔性附著強約束制導技術(shù)

由于柔性著陸器的特殊配置方式,在柔性附著制導中,需要考慮更多的約束條件。除了傳統(tǒng)附著要求的“雙零”約束與避障約束外,還需考慮控制約束(節(jié)點處的推力幅值及方向約束)、觀測約束(節(jié)點處的敏感器的視場角約束)、姿態(tài)約束(除特殊的機動情況下,柔性著陸器的整體姿態(tài)應盡可能水平),以及構(gòu)型約束(柔性著陸器的節(jié)點構(gòu)型變化受限)。針對強約束條件下的柔性附著問題,可以采取兩種制導思路:一種是“聚集式”制導,以柔性著陸器整體為對象,在傳統(tǒng)附著制導技術(shù)的基礎(chǔ)上,考慮柔性附著新的約束條件,突破多約束附著軌跡優(yōu)化與制導技術(shù);另一種是“協(xié)同式”制導,以柔性著陸器的節(jié)點為對象,考慮節(jié)點間相互作用,解決非獨立節(jié)點智能協(xié)同附著問題。

3.3.1柔性附著聚集式制導技術(shù)

如何使柔性著陸器滿足復雜的狀態(tài)約束與控制約束,是聚集式制導技術(shù)的關(guān)鍵。最優(yōu)制導方法允許在制導律設(shè)計的過程中直接考慮狀態(tài)量和控制量的過程約束,因此在著陸制導問題中受到了廣泛的關(guān)注[46-47]。A?kmee等[48-49]考慮推力幅值與方向約束、下滑角約束和終端約束,建立了行星著陸制導的最優(yōu)控制模型,并利用無損凸優(yōu)化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為凸問題,進而使用凸優(yōu)化方法進行求解。Lee和Mesbahi[50]在燃耗最優(yōu)著陸制導中考慮相機的視線角約束,針對視線角約束與著陸器的平移、旋轉(zhuǎn)運動耦合導致的軌跡規(guī)劃復雜問題,利用單位對偶四元數(shù)將動力學表示為分段仿射系統(tǒng),在模型預測控制的框架內(nèi)解決了精確著陸問題。Long等[51]針對復雜約束下的避障軌跡優(yōu)化問題,將避障約束轉(zhuǎn)化為軌跡方向約束與距離約束,設(shè)計了矢量形式的約束表征方法,通過求解優(yōu)化問題生成滿足復雜約束的矢量軌跡。

對于小天體的柔性附著問題,除了復雜約束外,還需要考慮形貌崎嶇與環(huán)境不確定性帶來的困難。文獻[52]采用“自上而下”主動避障的思想,建立了三維凸軌跡的條件,設(shè)計了具備主動避障能力和魯棒跟蹤性能的小天體附著軌跡閉環(huán)優(yōu)化方法。為了提升附著軌跡的自主調(diào)節(jié)能力,文獻[53]從二階錐優(yōu)化的原理出發(fā),將軌跡的曲率特性與著陸器的位置、速度矢量指向聯(lián)系起來,提出了隨小天體形貌自主調(diào)節(jié)的自適應曲率制導方法,提高了附著軌跡的安全性與燃耗經(jīng)濟性。

3.3.2柔性附著協(xié)同制導技術(shù)

柔性附著協(xié)同制導技術(shù),解決的是多個節(jié)點如何有效協(xié)作以完成小天體附著任務的問題。目前,協(xié)同制導理論與技術(shù)主要針對相互獨立的對象。例如,Wang等[54-55]以多個獨立的航天器為對象,研究了小行星附近的軌道編隊問題。這些協(xié)同制導方法無法考慮多個對象之間存在的作用力,不適合用于柔性著陸器的協(xié)同附著的制導設(shè)計。

對于柔性著陸器,節(jié)點間作用力具有極強的非線性,且隨著節(jié)點構(gòu)型動態(tài)時變[56]。為便于協(xié)同附著制導律設(shè)計,可用“彈簧-阻尼-扭簧”模型近似描述節(jié)點之間的柔性作用力,如圖8所示。

圖8 柔性著陸器及簡化模型示意圖

針對柔性著陸器協(xié)同附著制導問題,文獻[57]以節(jié)點高度差異表征柔性著陸器的姿態(tài)平穩(wěn)性,設(shè)計了考慮燃耗與姿態(tài)平穩(wěn)性的綜合優(yōu)化指標,基于最優(yōu)控制理論推導了解析形式的協(xié)同制導律,可用于柔性著陸器的平穩(wěn)附著。考慮到簡化模型中存在節(jié)點間柔性作用力的建模誤差,文獻[58]提出了“解析制導項+智能補充項”的制導框架,利用深度網(wǎng)絡建立了柔性著陸器節(jié)點狀態(tài)與控制指令的關(guān)系,并使用雙重延遲深度確定性策略梯度(Twin delay deep determinisfic policy gradient,TD3)方法進行了補充項設(shè)計,提升了柔性著陸器附著性能。

3.4 柔性附著強耦合協(xié)同控制技術(shù)

柔性附著控制技術(shù),解決的是如何協(xié)調(diào)三個節(jié)點處的推力器輸出的控制力和控制力矩,以實現(xiàn)著陸器姿態(tài)穩(wěn)定并完成期望的制導指令。與傳統(tǒng)剛性著陸器相比,在聚集式和協(xié)同式制導控制方式下,柔性體控制律設(shè)計均存在顯著的耦合效應。控制律設(shè)計的難點在于:1)由于節(jié)點構(gòu)型動態(tài)變化,三個節(jié)點處的推力器控制之間耦合嚴重,使得控制分配設(shè)計困難;2)由于柔性著陸器狀態(tài)高維,轉(zhuǎn)動慣量等姿態(tài)控制參數(shù)難以表征;3)節(jié)點間柔性作用力復雜,使得控制模型的非線性強,且部分參數(shù)存在誤差。因此,在不確定柔性形變影響下,柔性附著控制技術(shù)一方面要解決柔性著陸器位置和姿態(tài)耦合下,聚集式控制的節(jié)點控制力、控制力矩分配問題;另一方面,結(jié)合小天體不確知附著環(huán)境,在柔性形變與控制力耦合中,提高協(xié)同式附著控制的環(huán)境適應性和著陸穩(wěn)健性。

3.4.1柔性強耦合聚集式等效控制技術(shù)

由于柔性著陸器所采用的特殊布局方式,導致其與傳統(tǒng)剛性著陸器的姿態(tài)定義方式不同。在聚集式制導控制方案下,柔性著陸器的姿態(tài)需要由三個節(jié)點的狀態(tài)共同表征,可以用文獻[29]定義的等效面傾角來描述。在這種節(jié)點-柔性結(jié)構(gòu)的特殊布局方式下,由于推力器布置在節(jié)點處,柔性附著控制需要同時考慮柔性著陸器整體的位置姿態(tài)與節(jié)點位置間的關(guān)系,即通過控制三個節(jié)點的位置,來達到同時控制柔性著陸器位置和姿態(tài)的目的。因此,控制律設(shè)計中,存在柔性著陸器位置和姿態(tài)的耦合問題。

事實上,航天器控制中的姿軌耦合問題廣泛存在于航天器編隊控制[59]、衛(wèi)星控制[60]等領(lǐng)域。而柔性著陸器的姿軌耦合控制與前者之間存在著顯著差異。這一差異主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)姿軌耦合控制的作用對象為剛體,而柔性著陸器控制中,由于柔性形變的存在,姿態(tài)控制中尤其是轉(zhuǎn)動慣量存在顯著變化,且這種變化存在明顯的不確定性。

針對柔性著陸器姿軌耦合控制問題,將等效面傾角轉(zhuǎn)化為節(jié)點的高度差,則可以建立面向節(jié)點高度差的柔性著陸器控制模式:通過調(diào)節(jié)三個節(jié)點處的推力和,輸出期望的控制力;通過調(diào)節(jié)三個節(jié)點出的推力差,輸出節(jié)點高度差控制。圖9對比了剛性著陸器的傳統(tǒng)分配模式與柔性著陸器的新型控制分配模式。

圖9 傳統(tǒng)分配模式與新型分配模式對比

3.4.2柔性強耦合協(xié)同式智能控制技術(shù)

在柔性著陸器中,作為控制力輸出源的推力器安裝于節(jié)點處。柔性附著時,節(jié)點將受到推力和柔性力的共同作用。在協(xié)同式制導控制方案下,就柔性著陸器和節(jié)點位置控制而言,推力的變化將起到兩方面的作用:1)改變節(jié)點的加速度;2)使柔性著陸器產(chǎn)生形變。而柔性形變將進一步導致作用于節(jié)點處柔性力的變化,進而使節(jié)點受到的力和產(chǎn)生的加速度發(fā)生變化。因此,為產(chǎn)生制導所期望的節(jié)點加速度,柔性形變和推力間產(chǎn)生耦合作用。另一方面,就柔性著陸器姿態(tài)控制而言,由于柔性形變的影響,這種耦合將導致柔性著陸器本體的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生改變,在產(chǎn)生相同姿態(tài)角加速度時,所需的控制力將發(fā)生改變。上述耦合作用再疊加小天體的不規(guī)則引力,將使柔性著陸器附著問題更加復雜。

柔性著陸器在目標小天體附著過程中的運行工況受到著微重力、強輻射、強熱振等影響[61-62],且物理環(huán)境存在顯著不確定性,因此,產(chǎn)生的柔性形變也與模擬環(huán)境存在一定差異。因此,采用傳統(tǒng)方法設(shè)計柔性形變和推力耦合下的柔性附著控制律難以滿足環(huán)境適應性與附著穩(wěn)健性要求。

針對柔性著陸器構(gòu)型時變導致的推力器控制耦合問題,可設(shè)計表征節(jié)點沖突情況的方向沖突函數(shù)、表征節(jié)點推力變化情況的幅值穩(wěn)定函數(shù),建立多推力器協(xié)同分配的優(yōu)化模型,進而研究動態(tài)解空間多約束協(xié)同優(yōu)化方法,以提高柔性著陸器控制推力的自主協(xié)調(diào)分配能力。考慮柔性著陸器在真實小天體環(huán)境下的動力學難以離線精確獲取,協(xié)同制導方法設(shè)計時還應結(jié)合附著過程中的柔性著陸器的一些實測數(shù)據(jù)。例如,可以基于在線測量數(shù)據(jù)設(shè)計智能補償控制項,形成多推力器耦合控制的智能分配方法,進一步提升柔性附著協(xié)同控制的精度與魯棒性。

4 結(jié)束語

小天體具有引力弱、形貌暗、非合作、不規(guī)則等特點。傳統(tǒng)的剛性著陸器在小天體表面附著時,存在反彈和傾覆風險。針對小天體表面穩(wěn)健附著需求,本文論述了一種新型的柔性附著方式:著陸器通過增加與小天體表面的接觸面積,可降低傾覆翻滾的風險;同時,著陸器利用柔性材料耗散殘余動能,可避免發(fā)生反彈逃逸。柔性著陸器適用于弱引力小天體表面的附著任務,但存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。形貌感知方面,由于多敏感器間位姿具有不確定性且觀測視角存在差異,需要研究柔性附著關(guān)聯(lián)檢測智能融合感知技術(shù);狀態(tài)估計方面,針對著陸器柔性形變導致節(jié)點狀態(tài)牽連耦合難題,需要研究附著狀態(tài)智能遞推與魯棒融合估計技術(shù);制導與控制方面,針對柔性著陸器的模型高維非線性與操控強耦合問題,需要研究多個非獨立對象的智能協(xié)同制導與控制技術(shù)。